Pętla sterowania kontrolera: regulatory PI, wzmocnienia i pasmo przenoszenia

Kiedy przyspieszacie, nie sterujecie napięciem, ale momentem obrotowym, a więc prądem. Sterownik musi zadbać o to, aby rzeczywisty prąd płynący przez silnik odpowiadał tej wartości, pomimo zmieniającej się prędkości, spadającego napięcia baterii i nagrzewającego się silnika. To zadanie jest realizowane przez pętlę prądową, zbudowaną wokół regulatorów zwanych PI. Ich prawidłowe ustawienie decyduje o tym, czy silnik będzie działał płynnie i precyzyjnie, czy też będzie wydawał dźwięki, wibrował lub reagował opieszale.

Rola obwodu prądowego

W sterowaniu wektorowym, regulowane są dwa prądy: prąd q, który generuje moment obrotowy, oraz prąd d, który jest utrzymywany na poziomie zerowym lub wykorzystywany do demagnetyzacji. Każda oś posiada swój regulator. W każdym cyklu pracy, regulatory otrzymują różnicę między wartością zadaną a wartością zmierzoną i obliczają napięcie, które należy zastosować.

P jak proporcjonalny

Termin "proporcjonalny" wprowadza korektę proporcjonalną do odchylenia: im większe odchylenie, tym większa korekta. Reaguje natychmiast. Sam w sobie pozostawia jednak niewielkie, stałe odchylenie, ponieważ do działania potrzebuje pewnego odchylenia. Ponadto, jeśli jego wzmocnienie jest zbyt duże, następuje nadkorekcja: prąd oscyluje wokół wartości zadanej.

I jak integralny

Termin integralny sumuje odchylenie w czasie. Dopóki występuje jakiekolwiek odchylenie, nawet niewielkie, jego korekta rośnie, aż do jego wyeliminowania. To on kompensuje, na przykład, napięcie generowane przez silnik podczas obrotów, które wzrasta wraz z prędkością. Zbyt duży, powoduje przekroczenia i wolne oscylacje.

Obliczanie wydajności na podstawie silnika

Uzwojenie silnika, w odniesieniu do obwodu prądowego, zachowuje się jak rezystor połączony szeregowo z cewką indukcyjną. To umożliwia metodyczne dostrajanie:

• wybiera się pożądaną prędkość pracy, jej pasmo przenoszenia;
• Wzmocnienie proporcjonalne jest równe indukcyjności pomnożonej przez tę szerokość pasma
• Całkowity wzmocnienie jest równe oporowi pomnożonemu przez tę samą szerokość pasma.

Dzięki temu rozwiązaniu, regulator dokładnie kompensuje zachowanie uzwojenia, a prąd podąża za zadaną wartością z wybraną szybkością, bez przekroczeń. Dlatego też detekcja silnika mierzy rezystancję i indukcyjność – z tych pomiarów wynikają korzyści.

Jak daleko można się posunąć w kwestii prędkości?

Chcielibyśmy uzyskać jak najszybszą odpowiedź systemu. Jednak jest ona ograniczona przez częstotliwość, z jaką kontroler dokonuje pomiarów i korygencji, czyli przez częstotliwość przełączania PWM, oraz przez opóźnienia związane z pomiarami i obliczeniami. W praktyce, utrzymujemy pasmo przenoszenia systemu znacznie poniżej częstotliwości przełączania. Przekroczenie tej wartości powoduje niestabilność systemu: silnik wydaje piszczące dźwięki, prąd oscyluje, a kontroler może się wyłączyć z powodu przekroczenia prądu.

Kiedy napięcie jest niewystarczające: występuje nasycenie

Przy wysokich prędkościach, regulator może żądać większego napięcia, niż to, co dostarcza bateria. Napięcie podawane osiąga górną granicę, prąd przestaje się zmieniać, a wartość całki nadal kumuluje się, powiększając różnicę. Kiedy sytuacja się poprawia, ta kumulacja powoduje nagłe szarpnięcie. Dlatego poważne kontrolery ograniczają kumulację podczas sytuacji nasycenia – jest to tzw. "anti-overwind". W tym obszarze stosuje się również redukcję strumienia magnetycznego.

Pętle wokół obwodu prądowego

Pętla prądowa jest najszybsza i znajduje się wewnątrz. Inne pętle, działające wolniej, mogą się na niej opierać:

• pętla kontroli prędkości, która ustawia wartość prądu docelowego w celu utrzymania określonej prędkości (regulator prędkości, ogranicznik prędkości);
• pętla pozycji, przeznaczona do robotów i siłowników;
• ograniczniki, które redukują ustawioną wartość w zależności od temperatury lub napięcia akumulatora.

W przypadku hulajnóg elektrycznych, przepustnica zazwyczaj bezpośrednio steruje wartością prądu: to właśnie zapewnia uczucie płynnego i precyzyjnie regulowanego momentu obrotowego.